綜合勘探方法在湖底巖溶區(qū)隧道的應(yīng)用

王瑞芳

（武漢科技大學(xué) 城建學(xué)院土木系，湖北武漢430065）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，交通擁堵問(wèn)題越來(lái)越突出。城市主管部門為緩解交通壓力、增加機(jī)動(dòng)車的出行方式，采取向空中（高架橋）和地下（地鐵、隧道）延伸的方式來(lái)緩解交通堵塞的問(wèn)題。地鐵、隧道建設(shè)若穿越巖溶地帶，巖溶會(huì)增加工程建設(shè)的難度，使造價(jià)提高。近年來(lái)關(guān)于巖溶方面的研究越來(lái)越多，如蔡晶晶[1]以南京地鐵3 號(hào)線將穿越崗谷地和巖溶區(qū)為工程背景，根據(jù)等值線圖中低電阻率分布特征推斷巖溶發(fā)育情況，其結(jié)果與鉆探結(jié)果較為吻合，取得了較好效果。劉猛[2]在鄂西山區(qū)某高速鐵路隧址區(qū)勘察過(guò)程中采用綜合勘探手段，通過(guò)鉆探與物探的相互驗(yàn)證,較好地查清了隧址區(qū)鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖區(qū)巖溶發(fā)育、富水情況及斷層破碎帶分布情況。鄭江波[3]以廣州市地鐵某車站為例，采用鉆探和地震CT，對(duì)該車站的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行勘測(cè)。周大海、秦志明[4]以廣西隆林縣境內(nèi)的克長(zhǎng)至巖茶公路的巖溶塌陷為背景，提出合理有效的地質(zhì)災(zāi)害勘查手段，取得了預(yù)期的資料成果。

1 工程概況

某湖底隧道工程是穿越城市內(nèi)湖的一條城市主干路，是城市二環(huán)線的分流通道。該項(xiàng)目包含地表及穿越內(nèi)湖的隧道，隧道主線全長(zhǎng)19.25km[5]。沿線地理環(huán)境較復(fù)雜，地面建筑物較多，地下管網(wǎng)較復(fù)雜，且兩次下穿地鐵線路。湖底隧道主要采用地下隧道形式建設(shè)，岸上段采用明挖法建設(shè)，水底段采用盾構(gòu)法建設(shè)，隧道斷面為14.5m，單管雙層雙向4 車道，盾構(gòu)段長(zhǎng)8485.1m。根據(jù)隧道初、詳勘結(jié)果[5]，湖底隧道與道路相接段下伏基巖主要為C-T 石灰?guī)r等可溶巖，約合2010m 長(zhǎng)。巖溶對(duì)設(shè)計(jì)、施工和隧道運(yùn)營(yíng)安全影響較大，為了查明巖溶發(fā)育特征，建設(shè)單位擬對(duì)已揭露碳酸鹽巖的區(qū)段進(jìn)行巖溶專題勘察工作。

鉆孔過(guò)程中，工作人員發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r面上往往分布著一層軟弱的黏性土，增加了鉆探難度。石灰?guī)r內(nèi)溶洞多，鉆探過(guò)程中漏水嚴(yán)重，導(dǎo)致巖渣難以排出，為下管鉆進(jìn)造成了阻礙。另外，溶洞充填物往往容易垮塌，也增加了下管繼續(xù)鉆進(jìn)難度。為提高對(duì)巖溶分布情況的勘探準(zhǔn)確率及保證湖底盾構(gòu)機(jī)的安全施工，項(xiàng)目采用鉆探與物探相結(jié)合的綜合手段，對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行分析，重點(diǎn)探查隧道底板以下一倍洞徑范圍內(nèi)巖溶，評(píng)價(jià)其對(duì)隧道工程的影響，為隧道巖溶加固與處理提供可靠的地質(zhì)資料。

2 勘察工作

該隧道為城市交通隧道，地表標(biāo)高為15.8～26.3m，水位一般在19.5m 左右，隧道頂部標(biāo)高為3.0～10.0m，隧道底部標(biāo)高為-26～-5m（均為絕對(duì)標(biāo)高）。以YRK155～YRK167 剖面圖為例，隧道頂板、底板與剖面圖的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 彈性波隧道CT 地質(zhì)剖面圖

由于巖溶發(fā)育具有隨機(jī)性以及隧道工程的重要特性，本次勘察所有鉆孔均不在隧洞軸線上，鉆探揭露的溶洞不在隧道部位。擬在隧道兩側(cè)布置勘探孔，鉆孔間距一般控制在10 ～12m，實(shí)際施工過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)條件可適當(dāng)調(diào)整，對(duì)于物探CT 探查異常地段，適當(dāng)布置鉆孔驗(yàn)證。

在隧道洞身穿過(guò)的可溶巖區(qū)域進(jìn)行專項(xiàng)勘察勘探孔布置，沿隧道軸線法線方向上，鉆孔盡量布置在隧道開(kāi)挖邊界外側(cè)3～5m 范圍內(nèi)，將法線方向上勘探孔間距控制在25m 以內(nèi)（隧洞寬度14.5m），最大不超過(guò)30m[6-9]，如圖2 所示。

圖2 勘察平面布置圖

圖3 中，以YRK13 為例進(jìn)行分析，巖土層分布不是很均勻，分別是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、紅黏土、中風(fēng)化石灰?guī)r，隧道穿越的土層主要為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。從圖3 可以看出，巖溶發(fā)育嚴(yán)重。

圖3 剖面圖

3 物探方法選取

物探利用地下巖土體物理性質(zhì)的差異來(lái)探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)問(wèn)題，通常單一的物探手段對(duì)巖溶勘察精度是有限的，本次物探工作按下述方法進(jìn)行[10]。

3.1 鉆孔彩色電視

采用鉆孔彩色電視進(jìn)行鉆孔內(nèi)溶洞和土洞的原位觀察，該系統(tǒng)的原理是采用反光錐鏡攝取360°孔壁圖像，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集處理，形成連續(xù)的全孔壁展開(kāi)圖像，孔壁圖像的展開(kāi)按N →E →S →W →N 的順序。該系統(tǒng)可進(jìn)行孔壁圖像實(shí)時(shí)采集、展開(kāi)處理、拼接、實(shí)時(shí)存盤(pán)，現(xiàn)場(chǎng)直接觀察全孔壁展開(kāi)拼接圖像，實(shí)現(xiàn)電視探頭下鉆孔全孔壁一次成像，大大提高了生產(chǎn)效率和鉆孔資料的質(zhì)量， 儀器裝置如圖4 所示。

為了查清場(chǎng)地巖層的產(chǎn)狀，本次勘察挑選了5 個(gè)孔進(jìn)行孔內(nèi)電視，采用GD3Q-GA6 型號(hào)，鉆孔直徑為500mm。由于擬建工程場(chǎng)地位于東湖水域，施工期間受季風(fēng)氣候影響，波浪較大，造成孔內(nèi)水渾濁，故實(shí)際只有一組孔YZ6 鉆孔有彩色電視成果，如圖5 所示。在鉆孔深度35.0～36.0m 深度處，有豎直裂隙，裂隙寬度為2mm 左右，為張開(kāi)裂隙。從圖4 可以看出，巖層溶隙孔洞發(fā)育較多。通過(guò)觀察鉆孔彩色電視成果，發(fā)現(xiàn)巖層風(fēng)化嚴(yán)重，且有溶蝕現(xiàn)象[5，11]。

圖4 鉆孔彩色電視儀器

圖5 YZ6 鉆孔在不同深度的巖層狀態(tài)

3.2 孔間電磁波CT 層析成像

本次巖溶專項(xiàng)勘察主要采用孔間電磁波CT 層析成像，目的是探查湖底下隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發(fā)育及分布規(guī)律，根據(jù)測(cè)區(qū)的溶洞及裂隙在剖面上的異常特征，可以反映其分布形態(tài)及地下隱伏的地質(zhì)構(gòu)造情況。

湖底隧道下伏基巖主要以灰?guī)r為主，灰?guī)r強(qiáng)度高、裂隙較少、電阻率較高，對(duì)電磁波的吸收能力弱。對(duì)于泥巖、砂巖、頁(yè)巖、硅質(zhì)巖等電磁波無(wú)法穿透的非可溶性碳酸鹽巖區(qū)域，沒(méi)有劃分基巖較完整的分界線。各地層時(shí)代巖性視吸收系數(shù)特征如表1所示。

表1 各地層時(shí)代巖性電磁波CT 視吸收系數(shù)特征表

現(xiàn)場(chǎng)物探拍攝圖片及數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 孔間電磁波CT 射線與成果分布圖

圖6（a）中，巖層深度較淺范圍內(nèi)出現(xiàn)視吸收系數(shù)高值區(qū)域，呈現(xiàn)為深色區(qū)塊 ；隨著深度的增加，巖層出現(xiàn)裂隙，巖溶的比例也在增大，說(shuō)明盾構(gòu)機(jī)在湖底隧道施工需重點(diǎn)關(guān)注深度大的巖溶、裂隙。

3.3 孔間彈性波CT

彈性波層析成像（CT）基本原理同電磁波CT 原理類似，曲線如圖6（b）所示。在彈性波CT 地質(zhì)剖面圖上確定剖面異常的原則有兩個(gè)[12-13]：（1）在較完整巖體里，波速值≥4000m/s；（2）在巖體較差或土巖結(jié)合部視波速值比背景值小1000 ～2000m/s。同時(shí)結(jié)合具體的地質(zhì)、鉆孔資料，對(duì)異常進(jìn)行分類，基巖面界線大致以波速值≥2400m/s 為界劃分。根據(jù)波速的變化來(lái)反映地質(zhì)體的特征，一般情況下巖溶、破碎帶、裂隙發(fā)育區(qū)等地質(zhì)異常區(qū)會(huì)表現(xiàn)出低波速異常，CT 彈性波圖像特征見(jiàn)表2。

表2 CT 剖面圖像特征表

4 勘查和物探溶洞在高程上的分布特征

根據(jù)本次勘察期間水位觀測(cè)情況，鉆孔揭露溶洞均位于湖水地下水位以下。地下水位以下的溶洞基本處于飽水狀態(tài)，溶洞空腔富水性很強(qiáng)[14]，隧道開(kāi)挖時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意可能揭露富水含泥溶洞的突水、涌泥問(wèn)題。

4.1 鉆孔溶洞在高程上的分布特征

在湖底隧道區(qū)間，鉆孔揭露的溶洞數(shù)量較多，溶洞頂板在高程上的分布統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7。其中：T1d——三疊系大冶組，P1g+P1q——二疊系下統(tǒng)孤峰組和棲霞組，C2h+c——石炭系上統(tǒng)黃龍和船山組。

圖7 鉆孔溶洞頂板高程分布圖

由圖7 可知，鉆孔所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5～-20m高程段，共有大小溶洞641 個(gè)，約占溶洞總數(shù)的86.70%，此高程段以外勘探深度范圍巖溶相對(duì)不發(fā)育，各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異。T1d 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-10 ～10m，P1g+P1q 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-20 ～10m，C2h+c 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～5m。

4.2 物探CT 推測(cè)巖溶異常點(diǎn)在高程上的分布特征

由圖8 可知，物探所揭露的溶洞頂板高程大多集中在5 ～-30m 高程段，共有大小溶洞813 個(gè)，約占溶洞總數(shù)的79.7%。各巖溶層組的溶洞分布高程略有差異，T1d 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，P1g+P1q 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-25 ～10m，C2h+c 組發(fā)育溶洞頂板分布高程的峰值位于-30 ～5m。

圖8 物探CT 推測(cè)巖溶異常點(diǎn)頂板高程分布圖

電磁波CT 探測(cè)共發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)1020 個(gè)，其中537 個(gè)異常點(diǎn)與鉆孔揭露的溶洞相吻合，其余483 個(gè)異常點(diǎn)位于鉆孔之間。該項(xiàng)目共布置40 個(gè)物探異常驗(yàn)證孔，實(shí)際完成35 個(gè)，其中33個(gè)異常區(qū)揭露為溶洞，2 個(gè)異常區(qū)揭露為巖體的碎裂結(jié)構(gòu)。

結(jié)合鉆探、物探CT 探測(cè)成果分析，物探CT 推測(cè)的巖溶異常點(diǎn)的高程分布規(guī)律與鉆孔揭露的溶洞高程分布規(guī)律基本吻合。場(chǎng)地內(nèi)溶洞頂板高程大多分布在5 ～-20m 高程段，其余高程段溶洞分布較少，表明場(chǎng)地灰?guī)r中溶洞、溶隙處于淺部巖溶發(fā)育帶內(nèi)。

5 結(jié)論

本文采用鉆探和物探相結(jié)合的方法進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘察，物探采用孔內(nèi)彩色電視、孔間電磁波CT、孔間彈性波CT，彌補(bǔ)了鉆探以點(diǎn)代面的缺點(diǎn)，保證了工程的勘察質(zhì)量，加快了工程的勘察進(jìn)度。通過(guò)工程實(shí)踐，得出如下結(jié)論：

（1）該項(xiàng)目的勘測(cè)方法可直觀地探查隱伏巖溶、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發(fā)育情況及分布規(guī)律，確定地層巖性及巖溶發(fā)育帶等異常地質(zhì)體；

（2）鉆孔揭露巖溶分布，具有直觀可靠的優(yōu)點(diǎn)，但鉆探揭示的地質(zhì)體情況是“點(diǎn)狀分布”，且施工費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)。物探方法屬于間接勘探方法，可從宏觀層面探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體的整體情況，具有勘測(cè)周期短、勘察范圍大的“面狀分布”特點(diǎn)。通過(guò)鉆探和多種物探勘測(cè)結(jié)合的方式進(jìn)行綜合分析，可以提升勘察成果的準(zhǔn)確率[15]；

（3）比較圖6 和圖7，鉆孔揭露的巖溶異常點(diǎn)分布和物探CT 推測(cè)的巖溶異常點(diǎn)在高程上的分布規(guī)律很相似，說(shuō)明鉆孔和物探CT 相結(jié)合及相互驗(yàn)證，能較好地查明湖底隧道巖溶洞分布等，進(jìn)一步可分析成因與發(fā)展趨勢(shì)，及對(duì)工程可能產(chǎn)生的后果。

針對(duì)城市湖底隧道分布有巖溶，巖溶發(fā)育強(qiáng)、對(duì)施工及運(yùn)行危害大的缺陷，采用多種物探技術(shù)與鉆探結(jié)合，對(duì)巖溶的分布狀況及溶洞的大小、充填情況進(jìn)行勘探，取得了較好的勘探效果，可為后續(xù)盾構(gòu)機(jī)在湖底隧道安全施工前對(duì)溶洞進(jìn)行注漿處理提供有力的依據(jù)。